CN111748777A - 一种可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备和方法，包括阴极电弧生成***、等离子传输***、真空镀膜腔体以及电源；阴极电弧生成***包括电弧生成器和靶材；等离子传输***包括变径磁过滤管道、电磁线圈以及扫描电磁线圈，电磁线圈绕设在所述变径磁过滤管道的外部，变径磁过滤管道为两头大中间小的双喇叭型。本发明通过设置在阴极电弧沉积设备中设计两头大中间小的双喇叭型的变径磁过滤管道，配合绕设在变径磁过滤管道上的电磁线圈，聚焦和偏斜电磁场可以向着基板导向等离子流，而不受电磁场影响的中性宏观粒子则继续从阴极沿着直线行进从而被过滤，通过简洁的磁过滤管道的设计，可以得到致密的均匀的阴极电弧薄膜。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜沉积技术领域，具体而言，涉及一种可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备和方法。
背景技术
阴极真空电弧沉积法是将真空电弧蒸发源产生的等离子体，借助负偏置电压等吸引至基板，并在基板表面上形成薄膜的一种方法。其中，阴极真空电弧蒸发源通过真空电弧放电蒸发阴极靶，由此产生含有阴极靶材料的等离子体。阴极真空电弧沉积法具有离化率高、离子能量高、沉积温度低、沉积速率高、膜基结合好等一系列优点，且阴极电弧薄膜沉积的一个显著特征是，入射蒸发的离子的能量足够高以产生具有良好的硬度和耐磨性的高密度膜。因此阴极真空电弧沉积法不仅能够用于沉积传统 TiN、CrN、TiAlN等硬质薄膜的主要方法，也是沉积DLC超硬薄膜最有前途的方法之一。但是，在薄膜沉积过程中，阴极表面电弧斑放电剧烈，在产生高密度等离子体的同时也产生大量的宏观颗粒。其中，宏观颗粒是指直径约为几微米至几十微米的大颗粒 ( 这种大颗粒也称作“液滴”或者“大型颗粒”)。宏观大颗粒与等离子体在基板上的协同沉积，常常使薄膜表面粗糙度增加，膜基结合力下降，影响高质量薄膜的获得，已成为阴极真空电弧方法产业化应用中的关键技术瓶颈。尤其随现代大容量信息存储、MEMS微机电、航空航天等高技术领域的快速发展，传统的阴极真空电弧源薄膜沉积装置在沉积超硬、超薄DLC薄膜方面还难以满足要求。
目前，减少宏观大颗粒协同沉积的方法通常有两种不同的策略：第一种是利用某种形式的电磁场来控制和加速电弧从而减少宏观粒子生成的设备，利用外加电磁场控制电弧斑点的运动，延长弧斑寿命，减少因断弧而频繁启动电弧过程中熔滴大颗粒的产生；第二种是利用阴极源和基板之间设置带有外加励磁线圈的磁过滤弯管过滤设备，在传输电离部分到基板，过程中将宏观大颗粒在一定程度上过滤掉，避免其沉积到基板表面，其机理是在外加磁场作用下，宏观大颗粒由于质量较大，在惯性作用下直接溅射到管壁上被过滤掉，而质量小的离子束则在电子束流形成的外力牵引下，顺利通过磁过滤弯管到达基板表面，从而获得高质量的薄膜。
上述方法中，采用带有外加励磁线圈的磁过滤弯管，被认为是目前去除宏观大颗粒最有效的方法。根据结构设计的不同，磁过滤弯管可设计成90°弯曲形、膝形、S形及60°弯曲形等。然而，这几种磁过滤弯管在减少宏观大颗粒和提高等离子体的有效传输方面还有不足。
因而，目前迫切需要研制一种兼具有效过滤宏观大颗粒和高效传输等离子体的新型阴极真空电弧源薄膜沉积装置，以及探索一种利用该新型阴极真空电弧源薄膜沉积装置沉积大面积、高性能 DLC 薄膜的新方法。然后现有技术中并没有。
因此，现有技术存在缺陷，急需改进。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备和方法，以解决现有的阴极电弧薄膜沉积设备和方法过滤宏观粒子差且传输效率低的问题。
本发明实施例提供了一种可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，包括阴极电弧生成***、等离子传输***、真空镀膜腔体以及电源；阴极电弧生成***包括电弧生成器和靶材，所述靶材设置在所述电弧生成器上；所述等离子传输***包括变径磁过滤管道、电磁线圈以及扫描电磁线圈，所述变径磁过滤管道一端与所述阴极电弧生成***连接，另一端与所述扫描电磁线圈连接，所述扫描电磁线圈与所述真空镀膜腔体连接，所述电磁线圈绕设在所述变径磁过滤管道的外部，所述变径磁过滤管道为两头大中间小的双喇叭型；所述真空镀膜腔体内设有基板，所述基板用于沉积阴极电弧薄膜；所述电源的正极与所述基板连接。
所述的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，其中，所述变径磁过滤管道的管壁设有冷却夹层，所述冷却夹层内通有冷却循环水。
所述的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，其中，所述电磁线圈为长型电磁线圈，所述长型电磁线圈设有冷却管，所述长型电磁线圈的磁场的最高强度的中心区域平行设置在与所述靶材靶面垂直的轴线上。
所述的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，其中，所述变径磁过滤管道与所述扫描电磁线圈之间设有可变角度的连接座，所述可变角度的连接座和与扫描电磁线圈之间的夹角为所述变径磁过滤管道与所述基板中心轴线之间的夹角，所述夹角范围为0°～90°。
所述的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，其中，所述靶材内置有铁磁芯，外部绕设有长型电磁线圈。
所述的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，其中，所述靶材上设有电弧位置传感器。
所述的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，其中，所述真空镀膜腔体中还设有过滤挡板，所述过滤挡板平行设置在与所述基板设定距离处，且所述过滤挡板中间设有通孔，所述过滤挡板用于对磁场线进行限制。
所述的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，其中，所述真空镀膜腔体分别接有真空抽气***和水冷挡板。
一种可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积方法，其中，包括以下步骤 ：通过电弧生成器点燃靶材，生成电离粒子；
电离粒子进入变径磁过滤管道，过滤掉电离粒子中的大颗粒杂质；
进行薄膜沉积，得到阴极电弧薄膜。
所述的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积方法，其中，通过改变连接座与扫描电磁线圈之间的夹角，同时改变扫描电磁线圈的磁场，以改变阴极电弧薄膜的沉积方向。
有益效果：本发明实施例设置在阴极电弧沉积设备中设计两头大中间小的双喇叭型的变径磁过滤管道，同时将基板安装在电离粒子的光轴之外，配合绕设在变径磁过滤管道上的电磁线圈，聚焦和偏斜电磁场可以向着基板导向等离子流，而不受电磁场影响的中性宏观粒子则继续从阴极沿着直线行进从而被过滤。通过简洁的磁过滤管道的设计，可以得到致密的均匀的阴极电弧薄膜。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1 是本发明实施例的一种可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备的结构示意图。
图2是本发明实施例的另一种可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备的结构示意图。
图3a为现有的一种可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备的磁过滤管道的模拟结果图。
图3b为本发明的一种可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积方法的磁过滤管道的模拟结果图。
图3c为本发明的另一种可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积方法的磁过滤管道的模拟结果图。
附图标记说明：1、基板；2、真空镀膜腔体；3、电弧生成器；4、可变角度的连接座；5、扫描电磁线圈；6、水冷电磁线圈；7、真空抽气***；8、水冷电磁线圈电源；9、电源；10、变径磁过滤管道；11、靶材。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1和图2所示，本发明实施例的一种可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，包括阴极电弧生成***、等离子传输***、真空镀膜腔体2以及电源9。其中，等离子传输***连接阴极电弧生成***与真空镀膜腔体2，真空镀膜腔体2内设有基板1，基板1用于沉积阴极电弧薄膜，电源9的正极与真空镀膜腔体2的基板1连接。实际应用中，阴极电弧生成***生成可消耗的至少一个电弧阴极，而连接到电源的正极的基板1与电弧阴极形成相关联的至少一个阳极，以使电弧阴极产生的电离粒子往基板1方向流动。
进一步地，阴极电弧生成***包括电弧生成器3和靶材11，靶材11设置在电弧生成器3上，电弧生成器3的电弧引弧针设置在靶材11的上部，引弧针用于点燃电弧斑，从电弧斑中可发出靶材的离子、中性原子、宏观粒子以及电子，电子由于电弧斑的高温而以束的方式发出，其中，电子结合离子成为阴极电弧薄膜沉积需要的材料。
在实际应用中，靶材11内置有铁磁芯，外部绕设有长型电磁线圈，铁磁芯可以使得靶材11转动，以控制电弧斑的方向，长型电磁线圈用于维持电弧斑的稳定。且靶材11上设有电弧位置传感器，可用来评估电弧的位置。在实际应用中，阴极电弧生成***的工作原理如下：
电弧通过电弧生成器3在靶材11的靶端点燃，通过靶材11，电弧斑开始移动到靶材11的第二末端，在当电弧斑抵达靶材11的第二末端的时刻，它的位置由电弧位置传感器进行评估，此时电弧被关掉。然后，电弧通过电弧生成器3在靶材11的第一末端再次被点燃。
当电弧通过电弧生成器3在靶材11的第一末端被点燃，电弧斑开始运动到靶材11的第二末端。在当电弧斑抵达靶材11的第二末端的时刻，它的位置通过电弧位置传感器进行评估，通过铁磁芯控制靶材11的方向反向，以使得阴极斑开始在相反方向运动。
通过重复上述的过程，阴极电弧生成***可以提供连续的电弧燃烧。靶材11的转速在开始时和在后稍微不同以使得可以提供均一的靶侵蚀，使得薄膜沉积均匀。在实际应用中，电弧通过电弧生成器3在靶材11的第一末端点燃，通过靶材11，电弧斑开始运动到靶材11的第二末端。当电弧斑抵达靶的第二末端的时刻，它的位置由电弧位置传感器评估，长型电磁线圈产生的方向需反向，以使得阴极斑开始在相反方向运动，且其它磁场源都必须同时反向。
在上述的实施例中，阴极电弧生成***仅适用于以标准靶速度来偏移电弧斑的靶材11，而对于高电弧斑速度靶材料，例如 Ti，Al等，由于靶材料上的电弧斑点高速移动，电弧生成器3难以控制电弧开闭的时间点，因此难以适用。因此在另一个实施例中，针对高电弧斑速度靶材料，可采用接入较高的电弧电流( 在 1000A 的数量级 )，使得电弧斑燃烧在靶长度上扩展，通过增加电弧斑的燃烧面积来提供连续的电弧燃烧，以减少电弧频繁开闭导致产生大量的大颗粒杂质。具体地，该电弧电流的脉冲持续时间可设置为 10ms，脉冲电流设置为1000A( 指脉冲的有源部分)，或者脉冲持续时间 100ms，脉冲电流 50A(脉冲的无源部分)，通过在靶材11上接入上述较高的电弧电流，以获取连续的电弧燃烧。在实际应用中，靶材11的设置可利用电磁场来控制和加速电弧从而减少宏观粒子生成，通过利用外加电磁场控制电弧斑点的运动，延长弧斑寿命，减少因断弧而频繁启动电弧过程中熔滴大颗粒的产生，在源头减少杂质大颗粒物质的产生。
进一步地，等离子传输***用于传输阴极电弧薄膜沉积需要的离子和过滤电弧斑中产生的大颗粒杂质。在实际应用中，等离子传输***包括变径磁过滤管道10、电磁线圈以及扫描电磁线圈5，电磁线圈绕设在变径磁过滤管道10的外部。
优选地，变径磁过滤管道10为两头大中间小的双喇叭型，在实际应用中，变径磁过滤管道10为直通管道，其管道曲率根据实际需要沉积的材料和方向来调整。实际应用中，其直管与沉积腔体的轴线之间的夹角为0°。但其直管与沉积腔体的轴线存在一定的错位但其直管与沉积腔体的轴线存在一定的错位。
此外，变径磁过滤管道10的管壁设有冷却夹层，冷却夹层内通有冷却循环水，可将器件产生的热量快速散掉。
进一步地，电磁线圈为长型的水冷电磁线圈6，其与水冷电磁线圈电源8连接，用于提供过滤磁场。水冷电磁线圈6上设有冷却管，自带水冷功能，可快速降温。水冷管壳体中的长型电磁线圈6被用作聚焦磁场，即用来传输电弧斑中的离子和过滤掉大颗粒杂质。一般而言，水冷电磁线圈的尺寸可以被最小化，简化设备结构。且长型电磁线圈6的磁场的最高强度的中心区域平行设置在与靶材11靶面垂直的轴线上，在实际应用中，电弧斑发出的电离粒子优选地垂直于阴极靶面发出，与发出的电子一起形成等离子的被镀材料的离子是在膜沉积中主要的重要的物质，由此电离粒子可被长型电磁线圈6产生的磁场的最高强度的中心区域被传送，得到高质量且致密的沉积薄膜。由于变径磁过滤管道10的磁场强度沿着整个等离子通道非常高，以使得沿着等离子通道没有低磁场强度的空间，减少在低磁场强度的空间会发生的大量电子以及离子损失现象。如图3可知，图3a为现有的普通的磁过滤管道的传输过滤模拟结果图，其磁过滤管道为等径，图3b是本发明的一种变径磁过滤管道的传输过滤模拟结果图，图3c为本发明的另一种变径磁过滤管道的传输过滤模拟结果图，图3b中的变径磁过滤管道与图3c中的变径磁过滤管道区别在于两者的变径程度不同。如图3可知，在本发明的两种变径磁过滤管道中，电离粒子能够在磁场的最高强度的中心区域被很好的传送到真空涂布腔体2里，且电弧斑产生的大颗粒杂质大都被管道过滤，过滤效果和传输效果都远优于现有的等径的磁过滤管道。本发明的磁场强度设置与现有技术相比大致高两倍。
在实际应用中，扫描电磁线圈5设置在变径磁过滤管道10的出口处，在实际应用中，扫描电磁线圈5设置在变径磁过滤管道10的出口处的外侧周缘，且与水冷电磁线圈6互相垂直，扫描电磁线圈5连接有扫描线圈交流电源，扫描电磁线圈6产生的扫描磁场可改变电弧斑运动方向后再进入真空涂布腔体2，并沉积到基板1表面。进一步地，真空镀膜腔体2中还设有过滤挡板，过滤挡板平行设置在与基板1设定距离处，且过滤挡板中间设有通孔，过滤挡板用于对磁场线进行限制，使得磁场线被尽可能多地限制在变径磁过滤管道10中，有利的薄膜的稳定沉积。
进一步地，如图1和图2所示，本发明实施例的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，变径磁过滤管道10与扫描电磁线圈5之间设有可变角度的连接座4，可变角度的连接座4和与扫描电磁线圈5之间的夹角为变径磁过滤管道10与基板1中心轴线之间的夹角，所述夹角范围为0°～90°。可变角度的连接座4和扫描电磁线圈5配合，可根据实际需要改变从变径磁过滤管道10出来的等离子体的沉积方向，且在0°～90°可调，简单方便，对比于现有的为改变薄膜沉积方向而改变磁过滤管道的磁场方向的设计，简单方便。且可变角度的连接座4还可以进一步过滤电弧阴极的宏观大颗粒杂质，进一步提高本发明的过滤效果。
此外，本发明实施例的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，真空镀膜腔体2分别接有真空抽气***7和水冷挡板，真空抽气***7用于给真空镀膜腔体2提供真空环境，水冷挡板用于防止灰尘和散热。
在实际应用中，本发明还设计一种可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积方法，包括以下步骤：
通过电弧生成器点燃靶材，生成电离粒子；
电离粒子进入变径磁过滤管道，过滤掉电离粒子中的大颗粒杂质；
进行薄膜沉积，得到阴极电弧薄膜。
具体地，电弧斑通过在靶材11的上部电弧发生器3的电弧引弧针点燃，生成电离粒子；靶材11的被镀材料在定位在变径磁过滤通道10内部的靶材11表面上的电弧斑处蒸发，变径磁过滤通道10内部的电子流导引带正电的蒸发材料通过变径磁过滤管道10和连接座4及其设置的扫描线圈组5成的变径磁过滤通道10被沉积到基板1上，得到阴极电弧薄膜。
在实际应用中，变径磁过滤通道10内的磁场强度与之前的方案相比大致高两倍，本发明的阴极电弧薄膜沉积设备和方法不仅适于低电弧斑速度靶材料(例如石墨)的薄膜沉积,也可适于高电弧斑速度靶材料 (例如Ti，Al) 的薄膜沉积。
本发明的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积方法，通过改变连接座与扫描电磁线圈之间的夹角，同时改变扫描电磁线圈的磁场，以改变阴极电弧薄膜的沉积方向。
本发明实施例通过在设置在阴极电弧沉积设备中设计两头大中间小的双喇叭型的变径磁过滤管道，配合绕设在变径磁过滤管道上的电磁线圈，聚焦和偏斜电磁场可以向着基板导向等离子流，而不受电磁场影响的中性宏观粒子则继续从阴极沿着直线行进从而被过滤，通过简洁的磁过滤管道的设计，可以得到致密的均匀的阴极电弧薄膜；还在扫描电磁线圈和变径磁过滤管道之间设置了可变角度的连接座，与扫描线圈相配合，可改变薄膜沉积的方向，根据需要变换，简单方便。且本发明既适于低电弧斑速度靶材料(例如石墨),也适于高电弧斑速度靶材料(例如Ti，Al)。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，其特征在于，包括阴极电弧生成***、等离子传输***、真空镀膜腔体以及电源；所述阴极电弧生成***包括电弧生成器和靶材，所述靶材设置在所述电弧生成器上；所述等离子传输***包括变径磁过滤管道、电磁线圈以及扫描电磁线圈，所述变径磁过滤管道一端与所述阴极电弧生成***连接，另一端与所述扫描电磁线圈连接，所述扫描电磁线圈与所述真空镀膜腔体连接，所述电磁线圈绕设在所述变径磁过滤管道的外部，所述变径磁过滤管道为两头大中间小的双喇叭型；所述真空镀膜腔体内设有基板，所述基板用于沉积阴极电弧薄膜；所述电源的正极与所述基板连接。
2.根据权利要求 1 所述的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，其特征在于，所述变径磁过滤管道的管壁设有冷却夹层，所述冷却夹层内通有冷却循环水。
3.根据权利要求 1 所述的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，其特征在于，所述电磁线圈为长型电磁线圈，所述长型电磁线圈上设有冷却管，所述长型电磁线圈的磁场的最高强度的中心区域平行设置在与所述靶材靶面垂直的轴线上。
4.根据权利要求1所述的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，其特征在于，所述变径磁过滤管道与所述扫描电磁线圈之间设有可变角度的连接座，所述可变角度的连接座和与扫描电磁线圈之间的夹角为所述变径磁过滤管道与所述基板中心轴线之间的夹角，所述夹角范围为0°～90°。
5.根据权利要求1所述的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，其特征在于，所述靶材内置有铁磁芯，外部绕设有长型电磁线圈。
6.根据权利要求1所述的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，其特征在于，所述靶材上设有电弧位置传感器。
7.根据权利要求1所述的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，其特征在于，所述真空镀膜腔体中还设有过滤挡板，所述过滤挡板平行设置在与所述基板设定距离处，且所述过滤挡板中间设有通孔，所述过滤挡板用于对磁场线进行限制。
8.根据权利要求1所述的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积设备，其特征在于，所述真空镀膜腔体分别接有真空抽气***和水冷挡板。
9.一种可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积方法，其特征在于，包括以下步骤 ：
通过电弧生成器点燃靶材，生成电离粒子；
电离粒子进入变径磁过滤管道，过滤掉电离粒子中的大颗粒杂质；
进行薄膜沉积，得到阴极电弧薄膜。
10.根据权利要求9所述的可变角度变径磁过滤阴极电弧薄膜沉积方法，其特征在于，通过改变连接座与扫描电磁线圈之间的夹角，同时改变扫描电磁线圈的磁场，以改变阴极电弧薄膜的沉积方向。
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